Partea fizica (hardul) unui sistem de calcul (calculator personal)

Partea fizica (hardul) unui sistem de calcul (calculator personal)

Hardware-ul reprezinta totalitatea componentelor fizice ale unui calculator. Comunicarea perfecta dintre ele duce si mentine buna functionare a calculatorului.

Din punct de vedere fizic, un calculator personal are urmatoarea structura:

Unitatea centrala

Dispozitivele periferice

Unitatea centrala are rolul de a dirija si prelucra informatiile, coordonând întreaga activitatea a calculatorului. Ea este formata din:

microprocesor cu circuitele sale aferente

memoria interna

La un prim nivel de descriere simplist, dar corect, structura interna a unui calculator personal se prezinta astfel:

Microprocesorul (notat mP)

Performantele unui sistem de calcul sunt determinate de performantele procesorului, adica de:

complexitatea setului de instructiuni,

viteza de executie a instructiunilor,

frecventa de ceas,

numarul de registre

tipurile de date folosite,

modurile de adresare a datelor.

Performantele procesorului trebuie corelate cu performantele celorlalte componente ale sistemului de calcul. În primul rând, în ceea ce priveste viteza de operare pentru magistrala, memorie, echipamente periferice, iar în al doilea rând cu domeniul de utilizare a sistemului de calcul.

Procesorul (CPU, Central Processing Unit) reprezinta nucleul unui computer.  Toate calculele efective sunt realizate de CPU.

Procesorul poate fi considerat creierul unui calculator, deoarece el executa “gândirea”. De fapt, el nu face altceva decât sa “proceseze” bitii de 1 si 0 primiti de la memoria RAM a sistemului. El contine 2 componente: ALU (Arithmetic-Logical Unit) si FPU (Floating-Point Unit). ALU se ocupa cu calculele numerelor întregi, adica cu calculele in virgula fixa , iar FPU se ocupa cu asa zisele calcule in virgula mobila, adica de fapt numerele rationale.

Un microprocesor contine în interiorul sau locatii de memorie numite registre. În registre se efectueaza calculele numerelor reprezentate în binar. Trebuie precizat aici ca informatia asupra careia  opereaza calculatorul, indiferent de natura ei (numere, text, imagine, sunet) este reprezentata în binar.

Un registru foarte important integrat în cadrul microprocesorului  este registrul ce tine evidenta pasilor de program (IP Instruction Program).

Microprocesorul este conectat la celelalte componente ale calculatorului prin intermediul magistralei de date si magistralei de comenzi.

Un microprocesor este caracterizat în mod principal de:

viteza de lucru;

capacitatea maxima de memorie pe care o poate adresa;

setul de instructiuni pe care le poate executa.

Viteza de lucru a unui microprocesor este determinata de mai multi factori:

frecventa ceasului intern;

dimensiunile registrelor de lucru si a magistralei de date.

tipul microprocesorului

Ceasul intern al unui calculator personal este de fapt un oscilator care trimite în calculator, pulsuri la intervale de timp egale, bine determinate. Toate activitatile calculatorului sunt coordonate de aceste pulsuri periodice si în mod special functionarea microprocesorului.

Unitatea de baza de masura a frecventei ceasului intern se numeste Hertz, se noteaza Hz. Multiplii ei sunt:

kilohertz-ul  1khz=1000 Hz

megahertz-ul 1MHz=1000000=10⁶Hz

Valorile standard ale frecventei ceasului intern sunt de 6 MHz, 8Mhz, 12MHz, 16 MHz, 25 MHz, 33 MHz, 40 MHz, 66 Mhz, 100 Mhz, 130 Mhz, valori de mult depasite de calculatoarele ce se comercializeaza la ora actuala. Calculatoare personale ce se fabrica acum au frecventa de lucru de peste 2000 Mhz.

Viteza de lucru a unui microprocesor este determinata si de dimensiunea registrelor microprocesorului si a magistralelor de date. Toate aceste dimensiuni se masoara cu ajutorul bit-ului.

Un bit (binary digit) este cea mai mica unitate de informatie. Ne imaginam un bit ca o casuta în care se poate exista valoarea 1 sau valoarea 0. Nu trebuie confundata casuta (bitul) cu valoarea ei. Ne putem imagina bitul ca un fir de sârma prin care trece curent (valoarea1), sau nu trece curent (valoarea 0). Cele doua valori se exclud.

Considerentele care au condus la acest mod de reprezentare sunt de natura tehnica (electronica). Sistemul de numeratie folosit este cel binar (sistem în care semnele folosite sunt 0 si 1), iar multiplii bit-ului sunt puteri ale lui 2.

Ca urmare dimensiunea registrelor de lucru si a magistralelor de date se masoara in biti.

Dimensiuni tipice ale registrelor sunt de 8, 12, 16, 32, 64 biti. La fel magistralele de date.

Bineînteles ca acele calculatore ce au registrele de lucru si magistralele de date mai mari sunt mai rapide.

La toate acestea se mai adauga înca un factor  si anume tipul microprocesorului. Unele tipuri de microprocesoare de data mai recenta executa mai multe instructiuni la o aceiasi frecventa de ceas.

Setul de instructiuni Activitatea generala a unui sistem de calcul consta în stocarea si prelucrarea informatiilor. Întregul proces de tratare a informatiei în cadrul unui sistem de calcul are loc conform unui algoritm de prelucrare. Acest algoritm poate fi modelat prin seturi de instructiuni specifice unui limbaj de programare. Instructiunile alcatuiesc un program. Indiferent de limbajul de programare utilizat, instructiunile unui program trebuie aduse, printr-un set de transformari succesive, pâna la nivelul unui set de comenzi elementare care pot fi executate de sistemul de calcul si care formeaza setul de instructiuni al calculatorului. Aceste instructiuni apartin unui limbaj intern, propriu fiecarui sistem de calcul. Limbajul se numeste limbaj-masina. Limbajul-masina cuprinde un set restrâns de instructiuni elementare de forma unor coduri binare de lungime data.

Prezentam pe scurt o scurta istorie a microprocesoarelor , a evolutiei lor si a firmelor producatoare:

INTEgrated ELectronics (Intel) si-a dat seama de potentialul calculatoarelor personale pe piata mondiala (ele fiind inventate de fapt de Apple), si a inceput sa produca procesoare, denumite 8086.

In acest timp nici concurenta nu s-a lasat asteptata, au aparut Advanced Micro-Devices (AMD), Texas Instruments (TI) si Cyrix.

Intel a urmat denumirile de *86 cu 80286, aparut în 1982, ce  folosea magistrale de 16 biti si o viteza de ceas de 8-16 MHz, cu 386 aparut prin 1985, cu magistrala locala pe 16 biti (386 SX), si 386 DX, cu magistrala locala pe 32 biti. La acestea din urma viteza procesorului depasea viteza memoriei. Apare apoi 486 (DX), (coprocesorul matematic a fost inclus in procesorul ALU) la 120MHz. Aceste procesoare au fost produse de Intel cât si de concurentii lui.

Urmatorul pas facut de Intel in productia de procesoare, a fost standardizarea si copyright-ul asupra arhitecturii noului procesor, denumit Pentium. Acesta era deosebit de puternic pentru acele vremuri (un Pentium la 66 MHz era la fel de puternic (daca nu si mai puternic) decat un 486 la 100 MHz).

Primele cipuri Pentium au fost proiectate sa ruleze aproximativ de doua ori mai repede decât microprocesoarele 486 cu aceeasi frecventa de ceas si cu posibilitati si mai mari in cazul folosirii unor ceasuri mai rapide. Desi viteza maxima a primelor cipuri Pentium abia egala viteza interna de 66 Mhz a celor mai rapide cipuri Intel 486 cu dublarea frecventei de ceas, Intel s-a apropiat de scopul propus, obtinand rezultatele cu aproximativ 80% mai repede in cazul aplicatiilor DOS. A doua generatie de microprocesoare Pentium, lansata in 1994, a adus doua inovatii. Cipurile lucrau la viteze mai mari, gratie unui multiplicator de ceas intern. Cresterea vitezei s-a facut cu un factor de 1,5 de la 60 Mhz la 90 Mhz si de la 66Mhz la 100Mhz. Noile cipuri nu puteau fi folosite ca inlocuitor direct al cipurilor predecesoare, din cauza celei de-a doua inovatii: noile microprocesoare Pentium foloseau o logica la 3,3 volti. In afara acestor modificari, noile microprocesoare Pentium erau identice cu cele anterioare.

Amd-ul si Cyrix au produs atunci un alt procesor, denumit 586, dar acesta era deosebit de slab (un 586 la 133 MHz facea cat un P-75).De fapt, AMD-ul si-a denumit si el acest procesor sub numele de K5.

Mai târziu, Intel produce un nou procesor, in care înglobeaza si niste instructiuni ce vor fi denumite MMX (de la Multi Media eXtensions). Acest set de 21 de instructiuni avea pretentia de accelerare a jocurilor si aplicatiilor multimedia. De fapt, ele aveau efect numai in cazul aplicatiilor concepute special pentru ele si care suportau aceste instructiuni. Desigur, Intel a convins multi dezvoltatori de jocuri/aplicatii sa le optimizeze pentru aceste instructiuni.

Noul Pentium MMX pornea de la 166 MHz si avea ca limita frecventa de 233 MHz. Desigur, conceptul de overclocking permitea o frecventa mai mare, prin modificarea factorului de multiplicare prin intermediul unor jumperi.

AMD construieste si el un procesor pe care îl denumeste K6 si care avea frecvente cuprinse intre 166 si 300 MHz. Desigur, in performanta unui procesor intra si frecventa magistralei cu memoria, care in cazul lui K6 – 300 era de 100 MHz.

Intel dezvolta apoi arhitectura unui procesor de server, care avea sa se denumeasca Pentium Pro. El va fi cu adevarat puternic si va constitui baza unor proiecte viitoare.

Recunoscut sub numele de cod P6, Pentium Pro marcheaza o ruptura dramatica fata de cipurile Intel anterioare. Fiind complet reproiectat, acest microprocesor renunta complet la arhitectura clasica CISC a firmei Intel in favoarea vitezei oferite de arhitectura RISC.

Folosind propriile circuite interne, microprocesorul converteste instructiunile Intel clasice in micro-operatii care pot fi prelucrate in nucleul RISC pentru a obtine viteze mai mari de prelucrare a codului.

In ciuda proiectului sau revolutionar, nucleul logic al microprocesorului Pentium Pro este considerat a fi ultimul cip Intel clasic.

Tot Intel elaboreaza un nou procesor ieftin, care insa in stadiile preliminare nu dispunea de memorie cache de nivel 2 si care mergea execrabil (magistrala fiind tot de 66 MHz). In nici un fel Celeronul (Codnamed “Covington”), pentru ca despre el este vorba, nu putea pune in pericol pozitia de lider a lui K6.

Intel atunci construieste un procesor bazat pe arhitectura lui Pentium Pro, pe care-l denumeste Pentium II. El va avea frecventa magistralei tot de 66 MHz, insa îl va dobori pe K6.

Pentium II era un procesor pe SLOT (1) si avea 512 KB de cache de nivel 2 incorporati, care functiona la jumatate din viteza procesorului. Totusi, existau doua variante de Pentium II. Una era denumita “Klamath” iar cealalta “Deschutes”. Klamath era fabricat in tehnologie de 0.35 microni si din aceasta cauza el se încingea foarte tare, fiind nefiabil. Deci solutia era Deschutes, care era fabricat in tehnologie de 0.25 microni si degaja mai putina caldura. Inca un plus pentru Pentium II: de la 350 MHz si pana la 450 Mhz el va avea magistrala la 100 MHz.

Cyrix va construi si el un procesor cu frecventa maxima de 333 MHz, numit Cyrix MII. El va avea insa performante foarte slabe (si totusi mai ridicate decât Celeronul “Covington” de la Intel) si va fi foarte ieftin, si va constitui un esec.

Intre timp AMD va lansa procesorul AMD K6-2 (Codnamed Chomper). Acesta avea incluse atât instructiunile MMX cat si mai noile 3DNow! (proiectate de data asta chiar de AMD pentru accelerarea jocurilor si aplicatiilor multimedia in domeniul 3D).

Desi AMD K6-2 este un procesor destul de bun, cu performante ridicate in ALU, unitatea de virgula mobila de care dispune (FPU) este slaba (in special in absenta optimizarii aplicatiilor pentru folosirea instructiunilor 3DNow!). Deci un K6-2 poate sa invinga un P II la aceeasi frecventa la partea de ALU, insa este depasit in mod clar la partea de FPU, in principal datorita faptului ca desi detine 512 KB (sau chiar 1024!) cache level 2 (cel de nivel 1 fiind de 64 KB), memoria cache de nivel 2 se afla pe placa de baza si functioneaza la frecventa placii de baza (adica 66/100 MHz), pe cand la P II cacheul de nivel 2 functiona la jumatate din viteza procesorului si se afla mult mai aproape de acesta (fiind inclus in cartusul procesorului).

AMD produce apoi un alt procesor ce se dorea a fi mai puternic, si anume K6-3 (Codnamed Sharptooth). El avea 256 KB de cache de nivel 2 care functiona la viteza procesorului. Se pare insa ca din cauza pretului sau (ridicat) si a calitatii in continuare slabe a unitatii de FPU, cat si datorita unor erori de fabricatie (destul de frecvente la K6-3), el nu a avut viata lunga. Ca fapt divers, K6-3 este singurul procesor cu 3 nivele de cache (pentru ca cacheul de pe placa de baza era folosit si el).

Intel dezvolta intre timp o noua varianta a lui Celeron, sub numele de Celeron A. Acesta va avea 128 KB cache de nivel 2, fiind substantial mai rapid decât vechiul Celeron. Magistrala va ramane insa la aceeasi frecventa (66 MHz), si acest lucru deoarece Intel nu dorea ca noul Celeron sa intre in concurenta chiar cu P II. Chiar si asa, se pare ca Celeronul A a fost asa de bine conceput, incat el chiar a reusit sa fie un concurent redutabil al lui P II. Un Celeron A la 366 MHz este putin mai slab decat un AMD K6-2 la 450 MHz la MegaFLOPI/s (Mega-Floating Operations /s – Miloane de Operatii in Virgula Mobila/s).Celeronul A va fi denumit de oameni procesorul overclockerilor, deoarece el era foarte overclock-abil si suporta caldurile mari, frecventa putandui-se ridica chiar cu 300 MHz!

Intel va construi mai apoi un nou procesor, sub numele de Pentium III, cu numele de cod “Katmai”, care va avea 512 KB cache level 2 pe procesor ce va functiona la ½ din viteza procesorului. Noul PIII  va porni de la 450 MHz si va avea, pe langa instructiunile MMX, inca 67 de instructiuni denumite Katmai, de unde si codenameul.

Pentiumul III Katmai (fabricat in 0.25 microni) va avea frecventa maxima de 650 MHz, el urmand sa fie inlocuit de un alt procesor, denumit P III Coppermine (fabricat in 0.18 microni) , la frecvente mai mari, procesor ce va ingloba alte instructiuni, denumite SIMD SSE.

Ambele versiuni de Pentium III vor avea magistrala de 100 MHz, iar variantele cu “A” in coada vor avea 133 MHz.

Concurentul lui Pentium III, lansat de AMD, va fi K7-Athlon. Fabricat in tehnologie de 0.18 microni, el va avea 512 KB level 2 care vor funciona la ½ din frecventa procesorului.

Acest procesor va constitui si relansarea ca un produs cu adevarat de valoare a firmei AMD.

Intre timp, proiectantii de procesoare realizeaza faptul ca viteza cacheului conteaza mai mult decât cantitatea lui, si astfel apare o noua clasa de K7, si anume K7 – Athlon Socket A (Codnamed Thunderbird). Acest procesor va avea 256 KB cache level 2 care vor functiona la viteza procesorului (la fel ca si la rivalul Coppermine), insa va avea o magistrala de 200 MHz si chiar 266 MHz, prin folosirea memoriilor DDR (Double Data Rate), magistrala net superioara lui Coppermine. Thunderbird va fi deci mai puternic decat Coppermine, insa datorita prestigiului firmei Intel, majoritatea cumparatorilor din tarile mai dezvoltate (si chiar de la noi) vor cumpara in continuare Coppermine (desi acesta era si mai slab, si mai scump decat Thunderbird).

Cyrix produce si el un nou cip (procesor), pe care il boteaza  M III, care insa va avea aceleasi performante nedemne de invidiat ca si M II.

Intel, bazat pe arhitectura lui Coppermine, va construi a II-a (daca nu cumva a III-a, tinand cont de Covington) varianta a lui Celeron, care va fi botezata Celeron II. Si de aceasta data magistrala va fi de 66 MHz, insa de la modelul de 800 MHz, magistrala va urca la 100 MHz (era si timpul!). Astfel, un Celeron II la 600 MHz era mai puternic decat un Cyrix M III la 733 MHz!

AMD-ul lanseaza un concurent (ce se va dovedi a fi de temut) al lui Celeron II, sub numele de K7 – Duron (Codenamed Spitfire). Acesta are 64 KB cache level 1 si 128 KB cache level 2, ce functioneaza la viteza procesorului. Duronul va avea nucleu de Thuderbird.

In cele din urma, Intel lanseaza a - IV - a varinta de Pentium, si anume Pentium 4 (Codnamed Willamette). Acesta are ca frecventa de pornire 1400 MHz (1.4 GHz), magistrala de date avand 400 MHz si utilizeaza memorii RDRAM (in principal memorii RDRAM Pc-800). Desi magistrala de date este la nu mai putin de 400 MHz, memoriile RDRAM, spre deosebire de cele SDRAM, sunt pe interfete seriale (SDRAM sunt pe interfete paralele). De fapt, cresterea in latimea de banda la RDRAM nu este cu mult mai mare decat la DDR-SDRAM.

Pentiumul 4 are si el doua varinte: cea pe socket 478 (cea veche) si cea pe socket 423 (cea noua); cifrele sugereaza numarul pinilor procesorului. Procesorul Pentium 4 este inca in dezvoltare si se pare ca plauzibila o crestere semnificativa a vitezei procesorului (in ziua de azi cel mai rapid (spre vanzare) este cel de 2.2 GHz).        P4 va ingloba a doua versiune de instructiuni SSE, si anume SSE2.

Replica lui AMD (pentru ca doar el a mai ramas un concurent pe masura lui Intel), a fost Athlon XP (Codnamed Palomino). Ei bine, Athlon XP, daca vreti, “K8”, este un procesor foarte puternic. De fapt, el este mult mai puternic decat un Pentium 4 la aceeasi frecventa. Cumparatorii totusi nu tin cont de asta, hotarator pentru ei (in domeniul performantei), fiind numarul mega(giga)hertilor inscrisi pe procesor. De aceea, AMD a adaugat fiecarui procesor Athlon XP terminatia PR (Performance Rating), care dadea denumirea procesorului in echivalenta cu performanta fata de procesorul similar Intel (in speta Pentium 4), ceea ce inseamna ca un procesor Athlon XP la 1.533 GHz va avea denumirea de Athlon XP 1800+, adica este la fel de bun sau chiar depaseste performanta unui Pentium 4 la 1800 MHz. XP-ul va functiona cu memorii DDR-SDRAM.

Procesorul pe 64 de biti de la Intel va purta numele de Itanium si se doreste a fi un procesor destinat serverelor, insa el va trebui sa mai astepte pana ce programatorii vor compila programele pentru 64 de biti.